Elektriska signaler i nervceller
FRÅGOR:
1. Ungefär hur stor brukar vilomembranpotentialen i en nervcell vara?
2. Varför får vi elektriska signaler i nervcellerna?
3. Vad gör en aktionspotential?
4. Vad är en passiv elektrisk respons?
5. Beskriv en aktionspotential!
6. Neuron är egentligen rätt dåliga ledare, hur kan man se detta?
7. Aktionspotentialen har ett boostersystem som förklarar den konstanta amplituden, beskriv detta!
8. Vilka två faktorer gör att cellen kan skapa aktionspotentialer?
9. Vad är aktiva transportörer?
10. Hur fungerar jonkanaler?
11. Vilken är den gemensamma faktorn för skapandet av vilomembranpotentialen, aktionspotentialen, synaptiska potentialen och receptorpotentialen?
12.Tänk dig att vi har två avdelningar med ett separerande membran emellan.
a) Membranet är bara permeabelt för kalium och det finns lika mycket på båda sidor. Vad blir spänningen över membranet?
b) Det finns mer kalium på insidan än på utsidan, hur blir spänningen över membranet?
13. Så vad är då vilomembranpotentialen?
14. Vad är den elektrokemiska jämvikten?
15. En väldigt liten del av den totala mängden kalium kan orsaka denna elektriska potential, varför är det viktigt ur helhetsperspektivet?
16. Varför är de passiva signalerna viktiga?
17. Vad innebär formeln V(x)=V(0)e^(-x/λ)?
18. Vad försöker man beskriva med λ?
19. Vad innebär det att plasmamembranet beter sig som en capacitator (=kondensator)
20. Vad innebär tidskonstanten τ?
21. Vad säger Nernsts ekvation?
22. Vad säger Goldmans ekvation?
23. Beskriv jonströmmarna vid en aktionspotential!
24. Vad händer om:
a) Du tillsätter mer kalium extracellulärt?
b) Du tar bort Natrium extracellulärt?
SVAR:
1. Mellan -40 till -90 mV.
2. De är producerade av neuron som ett svar på olika stimuli som ändrar vilomembranpotentialen. I sensoriska neuron kan det ex. vara ljus, ljud eller värme som fungerar som stimuli (receptorpotentialer). Det genereras en annan typ av elektriska signaler mellan neuron i synapser, sk. synaptiska potentialer, som tillåter överföring av info från ett neuron till nästa.
3. De är ansvariga för långväga överföring av information inom nervsystemet och tillåter det att överföra signalerna till målorgan, ex. muskler.
4. Ex. om man i ett labb tillsätter en ström genom membranet på ett neuron som gör membranpotentialen mer negativ (=hyperpolarisation) händer inget dramatiskt. Detta kräver inga speciella egenskaper hos neuronet. Om strömmen istället gör membranpotentialen mer positiv än vilomembranpotentialen (depolarisation) kan den komma upp till ett visst tröskelvärde och då bildas en aktionspotential. Små depolariseringar kommer också att orsaka passiva svar (når ej tröskelvärde för en aktionspotential).
5. Aktionspotentialer är aktiva i den mening att de orsakar en förändring i permeabiliteten i neuronens membran. Detta svar är väldigt kort, ca 1 ms, då spänningen över membranet ändras från negativ till positiv. Amplituden på aktionspotentialen är dock oberoende av strömmen som användes för att skapa den, dvs större strömmar kommer inte att orsaka större aktionspotentialer. De sägs därför vara allt-eller-inget, dvs antingen sker de fullt ut eller inte alls. Om tiden som stimulit kommer ökar mycket så kommer flera aktionspotentialer att fyras av. Det betyder att intensiteten av ett stimuli kommer av frekvensen aktionspotentialer snarare än av amplituden på dem. Detta skiljer sig mycket från hur receptorpotentialer fungerar då deras amplituder graderas efter det sensoriska stimulits magnitud. Även i synapser ser det annorlunda ut eftersom deras amplituder är beroende av hur många synapser som aktiveras, styrkan av varje synaps samt den föregående mängden av synaptisk aktivitet.
6. Om strömmen man skickar in i cellen inte är tillräckligt hög för att nå tröskelvärdet kommer magnituden på den uppkomna potentialen att avta med avståndet från stimulit (ofta avtar den snabbt och är väldigt liten bara några millimeter från stimulisiten). Signalen sprids passivt genom axonet och på vägen kommer ström att "läcka ut". Ju längre bort man kommer finns alltså mindre ström som kan påverka membranpotentialen. Om det däremot är en aktionspotential som sprids är amplituden densamma över hela axonet men däremot kommer det uppstå en tidsfördröjning ju längre aktionspotentialen färdats.
7. Boostersystemet innebär att vid en aktionspotential så är cellen aktiv, dvs dess kanaler och transportprotein är ett effektivt sätt för att hindra "läckage" .
8. Dels så finns en skillnad i koncentrationen av specifika joner över nervcellmembranet (1) och dels så är membranen selektivt permeabla för vissa typer av joner (2).
9. Dessa flyttar joner aktivt, dvs använder energi för att flytta dem mot en koncentrationsgradient.
10. De är permeabla för en viss typ av joner som kan komma över membranet i riktning med koncentrationsgradienten.
11. Att transportörer och kanaler i princip arbetar emot varandra.
12. a) 0 mV b) Det genereras en spänning eftersom kaliumjonerna kommer att vilja sippra ut enligt kemogradientens lagar. Då kommer spänningen över membranet att bli negativ på insidan relativt utsidan då +laddningar ju åkt ut.
13. Eftersom kalium finns i högst koncentration i cellen är det kaliums totala in- och utflöde som ihopslaget bildar grunden för vilomembranpotentialen i cellen. Denna uppstår (1) eftersom ett neuron i vila är mer permeabelt för k+ än för någon annan jon och (2) eftersom det finns mer k+ inuti celler än utanför.
14. Den elektrokemiska jämvikten är den exakta balansen mellan två motverkande krafter. (1) koncentrationsgradienten som får k+ att röra sig från insidan till utsidan och ta med sig positiva laddningar. (2) den elektriska gradienten som när den ökar kommer att stoppa kaliumets flöde genom membranet (eftersom den gör det mer plussladdat på utsidan och det repellerar kaliumet som också är positivt laddat).
15. (1) Det betyder att koncentrationen totalt innanför och utanför kommer att vara rätt konstant, även efter en potential. (2) Det innebär att det lilla flödet av joner som behövs för att bibehålla membranpotentialen inte kommer att störa i den kemiska elektroneutraliteten (eftersom varje jon har en motjon med motsatt laddning). Således kommer lösningarna på båda sidor om membranet fortfarande vara neutrala. (K+ är i jämvikt med Cl- på båda sidor).
16. De spelar en central roll i aktionspotentialförökningen, i den synaptiska transmissionen och även i alla andra former av elektrisk signalering i nervcellerna.
17. Detta är en exponentialfunktion som förklarar minskningen av strömmen ju längre bort från strömkällan man kommer i axonet. V(x) står för spänningen i en punkt var som helst på axonet. V (0) står för spänningsförändringen i den punkt där man injicerar strömmen. e är basen av naturliga logaritmer och lambda är en längdkonstant (där spänningen vi hade från början minskat till 1/e eller 37% av det ursprungliga värdet).
18. λ (lambda) är ett sätt att försöka visa hur långt en passiv ström kan ta sig innan det läckt ut från axonet. Ju mer läckande axon, ju mindre värde på λ. Konstanten beror på axonets fysiska egenskaper, speciellt på resistansen i plasmamembranet, den intracellulära axoplasman (= axonets cytoplasma) samt det extracellulära mediet?. Relationen ser ut som följer:
λ=√(r(m)/(r(0)+r(i))) piece a cake! (se neuroscience s. 30 ist)
Detta innebär att ju mindre resistans vi har i axoplasman och i den extracellulära mediet och ju mer resistans vi har i plasmamembranet, ju längre kommer strömmen att flöda innan allt läckt ut.
19. Det betyder att plasmamembranet lagrar laddningen en stund. Detta syns i diagram då membranpotentialen inte går upp med en gång då en ström injiceras. I stället sker en liten fördröjning i början och i slutet som visar på att membranet inte direkt släpper igenom laddningarna.
20. τ, tau är en membrantidskonstant. Definition: tiden det tar innan spänningen stigit till 63% av normalspänningen (över membranet). Den visar hur snabbt ström ändrar membranpotentialen. Även τ beror på de fysiska egenskaperna hos nervcellen, speciellt på resistansen i membranet samt dess kapacitans (lagringsförmåga). τ=r(m)*c(m). Dessa två värden beror i sin tur på storleken av neuronet. Större celler har en lägre resistans och samtidigt en högre kapacitans. Dessa jobbar alltså emot varandra men generellt blir resultatet att små nervceller tenderar att ha långa tidskonstanter och stora nervceller har mindre. Resistansen spelar således en större roll för spridningen av strömmen än vad capacitansen gör.
21. Formeln kan förutsäga den elektriska potentialen (förmågan hos ett elektriskt fält att utföra arbete, vilket vanligen mäts i volt) över membranet vid elektrokemisk jämvikt. Detta med hjälp av gaskonstanten, den absoluta temperaturen, den elektriska laddningen för jonen man vill räkna på, Faradays konstant samt koncentrationerna av jonen på in- och utsidan av membranet.
Den tar alltså bara hänsyn till ett membran som är permeabelt för endast en jon.
22. Det är en formel som räknar in både koncentrationsgradienten av de permeabla jonerna samt den relativa permeabiliteten hos membranet (det kanske är mer permeabelt för kalium än för natrium ex.) Formeln tar hänsyn till jonerna K+, Na+ och Cl-. Det är en utvidgad version av Nernsts ekvation.
23. I vilostadiet är det alltid mer K+ inuti cellen än utanför. Detta beroende på transportörerna som pumpar in kalium. Vilopotentialen är således negativ. Då det kommer ett stimuli i synapsen kommer cellen att bli depolariserad beroende på att permeabiliteten för Na ökar vilket gör att det strömmar in i cellen. Membranpotentialen blir då positiv. Detta skapar en aktionspotential. Na+ permeabilitet är övergående och när permeabiliteten för kalium återställs kommer också membranpotentialen återgå till vilonivån.
24. a) Om jag tillsätter K+ extracellulärt kommer membranpotentialen att bli mindre negativ.
b) Om jag minskar Na+koncenrationen utanför cellen kommer frekvensen aktionspotentialer bli mindre och dessutom blir toppen på amplituden mindre. Dock har det en väldigt liten effekt på vilomembranpotentialen.
